摘要：機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)作為機(jī)械工程與自動(dòng)化領(lǐng)域不可缺少的一部分，造紙專業(yè)模擬教學(xué)、實(shí)踐操作教學(xué)體系中發(fā)揮著重要的作用。對(duì)于傳統(tǒng)造紙機(jī)械功能電一、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)問題頻發(fā)等問題，依托機(jī)械視覺技術(shù)開發(fā)造紙機(jī)械一體化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。下文在闡述機(jī)械視覺技術(shù)基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流程、軟件等開展設(shè)計(jì)。測(cè)試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的造紙機(jī)械機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)于誤操作故障可以快速恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)，設(shè)計(jì)不同的刷新頻率也能確保具有良好的渲染速度，系統(tǒng)容錯(cuò)能力大大提高。

關(guān)鍵詞：機(jī)械視覺;造紙機(jī)械;系統(tǒng)研究

隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展及微處理器性能的提升，造紙微機(jī)控制在國(guó)內(nèi)得到普遍的應(yīng)用。在造紙機(jī)微機(jī)控制研發(fā)及推廣過程中，蒸汽消耗量及紙漿下降，促使提升產(chǎn)品質(zhì)量及產(chǎn)量。在機(jī)械視覺技術(shù)使用過程中，也充分運(yùn)用攝像機(jī)的功能，對(duì)錄入圖像特征進(jìn)行深入的研究，依托信息轉(zhuǎn)變方法把其轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字化信號(hào)，工作人員獲得這些數(shù)字化信號(hào)后，便于開展后續(xù)的監(jiān)測(cè)工作[1]。由機(jī)械視覺技術(shù)發(fā)展視角分析，主要表現(xiàn)為工作效率、精準(zhǔn)度高等;對(duì)不同類型數(shù)據(jù)信息與系統(tǒng)環(huán)境機(jī)械視覺技術(shù)均能良好的適應(yīng)，運(yùn)用自身的全面性特征避免數(shù)據(jù)信息遺忘等問題。使用機(jī)械視覺技術(shù)也能增強(qiáng)操作人員的靈活性，進(jìn)而提升數(shù)據(jù)處理效率。

1 機(jī)械視覺技術(shù)主要特點(diǎn)

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，我們不遺余力地把人類視覺能力賦予計(jì)算機(jī)、機(jī)器人等智能設(shè)備。機(jī)械視覺也是工業(yè)自動(dòng)化及智能化得以實(shí)現(xiàn)的核心技術(shù)，也是人工智能發(fā)展比較快的一個(gè)分支。人類利用眼睛捕捉、觀察物體，圖像信息通過視覺神經(jīng)傳遞給大腦進(jìn)行分析及理解，由大腦對(duì)觀察到的物體開展自動(dòng)空間分離，獲得物體位置、紋理、顏色等一系列的特征信息，迅速判定物體名稱、分類等屬性。機(jī)械視覺同理，從本質(zhì)上來說，機(jī)械視覺是圖像分析技術(shù)用于工廠自動(dòng)化方面，依托圖像處理工具、光學(xué)系統(tǒng)等模擬人的視覺能力，做出與之對(duì)應(yīng)的決策，最終指揮一些特定裝置執(zhí)行上述決策。從實(shí)際應(yīng)用分析，機(jī)械視覺技術(shù)可以取代肉眼觀察，依托計(jì)算機(jī)對(duì)三維世界內(nèi)各種目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行全面識(shí)別，開展更為精準(zhǔn)的測(cè)繪判斷工作。機(jī)械視覺作為一項(xiàng)綜合的技術(shù)，包含圖像處理、傳感器、計(jì)算機(jī)軟硬件等。機(jī)械視覺技術(shù)具有測(cè)量精度及靈敏度高等特點(diǎn)，整體測(cè)試迅速，在應(yīng)用過程中不會(huì)出現(xiàn)額外的噪音。

2 機(jī)械視覺技術(shù)在造紙機(jī)械中的運(yùn)用

木材剝皮機(jī)作為造紙廠、制漿常等廣泛使用的設(shè)備，旨在對(duì)新伐木材進(jìn)行剝皮處理，也可對(duì)部分凍材、干材予以剝皮。剝皮機(jī)應(yīng)用范圍較廣，成為自動(dòng)化生產(chǎn)、流水線生產(chǎn)過程中不可缺少的利器。但造紙機(jī)械所用剝皮機(jī)改造前見圖1。

分析發(fā)現(xiàn)，未改造前過度剝皮使用的原木失去概率為4.5%，第4-5短纖維受損明顯。實(shí)施改造處理，將第4、5段進(jìn)行拆除，并適當(dāng)延長(zhǎng)003鏈條，如圖2所示。

改造后，電耗節(jié)降每一年為232MWH，每一年約為10萬元，也能有效減少原木剝皮損失，每年合計(jì)為67萬元。此外，對(duì)兩段剝皮輥拆除后，節(jié)約維保費(fèi)用每年為19萬元，其改造后效果如圖3所示。

造紙行業(yè)紙張生產(chǎn)工藝比較復(fù)雜，生產(chǎn)操作中時(shí)常出現(xiàn)刮痕、破損、黑斑等缺陷對(duì)紙張質(zhì)量產(chǎn)生不良的影響[3]?；诖?，必須開展質(zhì)量檢測(cè)，及時(shí)剔除不良品。傳統(tǒng)人工檢測(cè)效率比較慢，還會(huì)由于疲勞等因素的影響導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊。而使用機(jī)械視覺技術(shù)，能有效解決造紙行業(yè)存在的一系列問題。機(jī)械視覺技術(shù)下紙張表面瑕疵檢測(cè)系統(tǒng)在線對(duì)造紙生產(chǎn)中出現(xiàn)的表面瑕疵開展精準(zhǔn)的檢測(cè);光學(xué)篩選機(jī)系統(tǒng)依據(jù)表面瑕疵特征，與現(xiàn)場(chǎng)工藝在線報(bào)警等功能連接實(shí)時(shí)識(shí)別瑕疵情況[5]。運(yùn)用機(jī)械視覺技術(shù)用于紙張自動(dòng)計(jì)數(shù)系統(tǒng)，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要的計(jì)數(shù)目標(biāo)是貼卡疊層紙。系統(tǒng)運(yùn)用預(yù)掃描方式對(duì)紙張表面唯一的信號(hào)條形碼完成掃描、檢測(cè)工作，能有效解決貼卡紙張多樣性方面的問題。系統(tǒng)正常工作時(shí)，如果需要檢測(cè)紙張經(jīng)掃描系統(tǒng)，利用智能檢測(cè)攝像頭把紙張信息傳送到軟件各模塊，其依據(jù)反饋信息對(duì)皮帶、平壓設(shè)備等開展后續(xù)工作，做好一系列統(tǒng)計(jì)信息記錄工作。通過機(jī)械視覺及時(shí)開展紙病檢測(cè)工作，紙張實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，受到內(nèi)外部多種因素的影響，極易發(fā)生黑斑、皺褶等問題，上述缺陷會(huì)超過生產(chǎn)工藝的限制范圍，稱作紙病[4]。

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體方案

基于機(jī)械視覺設(shè)計(jì)的造紙機(jī)械機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包含下列技術(shù)：機(jī)械視覺檢測(cè)技術(shù)、紙帶傳送系統(tǒng)、上料系統(tǒng)等，各部分依托PLC、信息技術(shù)實(shí)施融合，模擬實(shí)現(xiàn)造紙機(jī)械檢測(cè)、分揀等一系列工作[5]。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)旨在對(duì)平臺(tái)各項(xiàng)課程展開學(xué)習(xí)，掌握造紙機(jī)械一體化加工、檢測(cè)技術(shù)，根據(jù)理論引導(dǎo)造紙或者相關(guān)專業(yè)學(xué)生開展實(shí)踐，提高造紙專業(yè)學(xué)生分析、解決造紙工業(yè)各項(xiàng)問題的工程設(shè)計(jì)能力。機(jī)械視覺下造紙機(jī)械機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能詳見圖1。

3.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流程

運(yùn)用C++軟件對(duì)系統(tǒng)軟件進(jìn)行開發(fā)，操作人員利用軟件控制步進(jìn)電機(jī)開展紙帶傳送操作中的轉(zhuǎn)速、方向調(diào)節(jié)工作，把有待檢測(cè)的紙帶或其他紙類產(chǎn)品傳輸至固定上料部位;設(shè)計(jì)視覺檢測(cè)系統(tǒng)中的光學(xué)系統(tǒng)，促使需要檢測(cè)的紙帶等完成清晰成像。順利進(jìn)行檢測(cè)階段，依托控制片把有待檢測(cè)紙帶放于傳送帶上完成紙帶上料操作。如果需要檢測(cè)紙帶被傳送到視覺檢測(cè)模塊合理的檢測(cè)部位，傳感器發(fā)出相應(yīng)的信號(hào)，傳送帶陸續(xù)向前運(yùn)行進(jìn)入下一個(gè)環(huán)節(jié)的紙帶檢測(cè)。若紙帶存在斷紙等一系列問題，傳感器及時(shí)發(fā)出信號(hào)，傳送機(jī)停止工作并利用工業(yè)相機(jī)對(duì)紙帶出現(xiàn)的紙病、斷紙圖片予以采集，對(duì)獲取的圖像采用數(shù)據(jù)形式傳送至軟件處理部分完成紙病分析。對(duì)紙病問題進(jìn)行處理后，借助遠(yuǎn)程控制卡促使生產(chǎn)流水線恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。

3.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

對(duì)系統(tǒng)硬件展開設(shè)計(jì)時(shí)，將系統(tǒng)的需求考慮在內(nèi)，通過光電傳感器、磁性開關(guān)等當(dāng)作實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的支撐配置。其中，以光敏三極管以及紅外發(fā)光二極管當(dāng)作光電轉(zhuǎn)換元件，運(yùn)用MHT15-N2317型開關(guān)，具體工作中提供兩種工作方法便于用戶選擇，包含同軸反射、對(duì)射型。使用電感式傳感器旨在對(duì)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，識(shí)別目標(biāo)過程中，電感線圈會(huì)出現(xiàn)渦流效應(yīng)會(huì)帶來振幅改變，將其轉(zhuǎn)化為開關(guān)量輸出，達(dá)到準(zhǔn)確識(shí)別目標(biāo)的效果。磁性感應(yīng)傳感器通過物體磁場(chǎng)及時(shí)感知目標(biāo)，在磁性開關(guān)上設(shè)計(jì)LED顯示，用來展示信號(hào)狀態(tài)。若磁性開關(guān)動(dòng)作，LED燈及時(shí)亮起，輸出信號(hào)是“1”;反之，LED燈未亮，輸出信號(hào)是“0”。通過上述傳感器及時(shí)采集造紙機(jī)械實(shí)際場(chǎng)景數(shù)據(jù)，構(gòu)建機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)順利完成人機(jī)交互。虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)是整個(gè)機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換中心，數(shù)據(jù)傳輸涉及范圍比較廣，虛擬場(chǎng)景內(nèi)動(dòng)態(tài)變化主要源于服務(wù)器及傳感器。系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中，平臺(tái)與服務(wù)器之間構(gòu)建TCP/IP連接，獲得實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。再借助數(shù)據(jù)解析器對(duì)數(shù)據(jù)展開分析，把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至虛擬場(chǎng)景內(nèi)。與此同時(shí)，把人際交互出現(xiàn)的數(shù)據(jù)變化依托通信網(wǎng)絡(luò)傳送至服務(wù)器，發(fā)送到系統(tǒng)后臺(tái)開展模擬仿真處理。C854D286-BFDD-42E5-9FD0-2990352336F7

4 控制軟件及電路設(shè)計(jì)

4.1 控制軟件設(shè)計(jì)

對(duì)控制軟件展開設(shè)計(jì)，旨在對(duì)圖像數(shù)據(jù)、紙帶傳送方向、傳感信號(hào)等問題進(jìn)行處理。運(yùn)用C++語言編寫光機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)控制軟件，支持使用步進(jìn)電機(jī)對(duì)控制卡數(shù)據(jù)庫(kù)狀況開展函數(shù)表達(dá)，完成不同步進(jìn)電機(jī)及紙帶傳送系統(tǒng)的動(dòng)靜調(diào)控等一系列工作。此外，所設(shè)計(jì)的控制軟件能依據(jù)紙帶種類差異自由撰寫、修改一些參數(shù)，順利完成紙帶上料階段的位置調(diào)控工作。除此以外，系統(tǒng)圖像處理與分析功能也集成于系統(tǒng)的控制軟件內(nèi)。圖像處理功能包含：對(duì)所獲取的圖像數(shù)據(jù)開展分析及特殊化處理;把系統(tǒng)工作日志及各項(xiàng)信息存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，進(jìn)而獲取設(shè)備全壽命周期中的參數(shù);自動(dòng)處理模塊支持對(duì)紙帶檢測(cè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)的故障進(jìn)行自處理。

4.2 電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制電路包含傳感器、報(bào)警系統(tǒng)、供電系統(tǒng)等，在機(jī)械光機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。系統(tǒng)控制電路原理如圖4所示。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)控制卡IO口可以對(duì)外部開光量信號(hào)開展智能接收、輸出操作，例如：紙病檢測(cè)操作中停機(jī)、電磁閥啟動(dòng)等。

5 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果分析

5.1 設(shè)計(jì)信號(hào)源

對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的性能展開研究，設(shè)計(jì)一系列的常用信號(hào)源，挑選合適的線路保護(hù)裝置開展仿真培訓(xùn)，并把結(jié)果與虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景相關(guān)聯(lián)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。考慮傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)模擬系統(tǒng)面臨的一系列問題，實(shí)驗(yàn)對(duì)象包括基于HMD實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、機(jī)械視覺技術(shù)下造紙機(jī)械一體化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。所設(shè)計(jì)信號(hào)源包含測(cè)控裝置、繼電保護(hù)裝置等，用于檢測(cè)造紙機(jī)械機(jī)電一體化設(shè)備及系統(tǒng)功能的容錯(cuò)情況。為滿足不同實(shí)訓(xùn)模擬系統(tǒng)實(shí)際需求，設(shè)計(jì)下列信號(hào)源見表1。

開展測(cè)試中，只要對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行檢驗(yàn)，劃分為兩部分，（1）對(duì)系統(tǒng)硬件保護(hù)裝置展開測(cè)試;對(duì)系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)模擬場(chǎng)景渲染情況實(shí)施測(cè)試，最后依據(jù)對(duì)比結(jié)果，分析各系統(tǒng)的容錯(cuò)情況。

5.2 保護(hù)裝置動(dòng)性

檢測(cè)中檢驗(yàn)造紙機(jī)械機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)面臨誤操作時(shí)要以保護(hù)為主，所用信號(hào)源為變電流信號(hào)源，這個(gè)信號(hào)源頻率設(shè)定為50Hz，其它初始參數(shù)見表2。對(duì)實(shí)驗(yàn)各種信號(hào)源連接至硬件硬件部分，當(dāng)0.2s設(shè)定相應(yīng)的操作故障，通過第三方軟件輸出系統(tǒng)動(dòng)作信號(hào)。研究結(jié)果表明，基于機(jī)械視覺設(shè)計(jì)的造紙機(jī)械機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，可以在較短的時(shí)間內(nèi)調(diào)整至正常狀態(tài)，促使系統(tǒng)快速恢復(fù)正常運(yùn)行。提示設(shè)計(jì)的機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)面臨突發(fā)狀況更為穩(wěn)定。

5.3 渲染速度

為確保整個(gè)測(cè)試結(jié)果的公平公正，測(cè)試中采用高清晰度的數(shù)碼相機(jī)拍攝真實(shí)圖像，再通過Photoshop軟件內(nèi)拾取工具獲取圖片內(nèi)各面顏色參數(shù)，利用不同實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)其開展渲染處理，求出各系統(tǒng)渲染操作所需時(shí)間。測(cè)試結(jié)果見表3。

設(shè)置不同的刷新頻率，基于HMD實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)渲染速度相對(duì)較慢，在100s以上。機(jī)械視覺技術(shù)下造紙機(jī)械機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在各刷新頻率下渲染速度均低于60s，其渲染速度明顯優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)。與系統(tǒng)保護(hù)裝置動(dòng)性結(jié)果相結(jié)合可知，所設(shè)計(jì)的造紙機(jī)械機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)對(duì)操作故障時(shí)安全、穩(wěn)定，系統(tǒng)容錯(cuò)能力達(dá)到實(shí)際應(yīng)用要求。

6 結(jié)論

綜上所述，針對(duì)傳統(tǒng)系統(tǒng)誤操作較多引起的容錯(cuò)能力差等問題，文中基于紙病檢測(cè)系統(tǒng)、機(jī)械視覺技術(shù)等方面對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)展開設(shè)計(jì)，系統(tǒng)可根據(jù)不同加工工藝及尺寸紙張、紙帶實(shí)施自適應(yīng)調(diào)節(jié)，有效解決傳統(tǒng)造紙機(jī)械實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)紙品類型要求比較嚴(yán)格等問題。對(duì)系統(tǒng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)能滿足造紙機(jī)械實(shí)際要求，能夠更穩(wěn)定的面臨突發(fā)狀況。

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作者簡(jiǎn)介：陳合成，（1986.10.2），漢族，海南省臨高縣，學(xué)歷：大專，造紙機(jī)械。C854D286-BFDD-42E5-9FD0-2990352336F7